摘  要： 提出了一種新興的供暖技術——儲熱式電暖器。這種裝置能將夜間低價電能轉換成熱能并存儲在儲熱磚中，非低價電時再釋放出來。裝置控制系統以AT89C51為核心元件，采用DS18B20與K型熱電偶作為測溫元件，以LCD12864與DS1302構成顯示電路，實現了時鐘、溫度顯示、用戶控制、電熱管溫度控制、室內溫度控制等功能。每天低價電時對電熱管加熱若干小時（不同月份加熱時間不一），保證室內恒溫舒適，不干燥。該系統性能穩定、成本低廉、操作簡單、實用性強，具有一定的市場前景和經濟價值。
關鍵詞： 儲熱；溫度采集；單片機；時鐘芯片；溫度控制

    長久以來，北方許多城市一直采用傳統的集中供暖方式。這種傳統的供熱方式主要有以下缺點：(1)政府基礎設施投入巨大；(2)不可再生資源消耗多且浪費嚴重；(3)供暖舒適穩定性有待加強；(4)不具有用戶操作性。近幾年市場上出現了諸多分戶供暖的方式，在一定程度上解決了用戶不能控制室內溫度的問題，且更加舒適。但這些方式投入成本較大，不利于大規模推廣。
    此外，國家發改委于2011年發布了《關于居民生活用電試行階梯電價的指導意見的通知》[1]，電價按“峰、谷”段（或者“峰、平、谷”段）區分收費勢在必行。在這樣的大形勢下，儲熱式電暖器應運而生。本設計利用用電“谷”期電力公司提供的低價電，以裝入儲熱磚的電熱管為加熱元件，在夜間將電能轉化為熱能，并儲存在磚體中保存。到了用電非“谷”期再將熱能釋放出來，為房間供暖，此時將不再消耗電能。儲熱磚是一種具有良好熱導性能的相變儲熱材料[2]，它能在電熱管加熱時積聚大量的熱量，也能在電熱管停止加熱時釋放出大量的熱量。該種材料無毒、無味、不腐蝕、不污染環境。與傳統采暖方式相比，本設計具有不占室內空間（可將儲熱磚嵌入墻內）、能源清潔無污染、節約資源、無鍋爐和熱源網等附屬設備，節省基礎設施投資等優點；且分戶供暖，設計人性化，適合普通家庭使用；可以解決北方現有集中供暖的諸多詬病，也可以在很大程度上使南方城市擺脫冬季無固定采暖方式的窘境。
1 基本原理
    本系統由單片機、溫度采集電路、顯示電路、控制電路、驅動電路組成。系統結構如圖1所示。

    溫度采集電路實時檢測電熱管和室內溫度，經過放大、模數轉換后將信號傳送給單片機。經由單片機內部軟件程序處理生成驅動信號，配合固體繼電器對電熱管的加熱進行控制，以達到室內溫度舒適(8 ℃～20 ℃之間)、保護電熱管（溫度不大于800 ℃）的目的。顯示電路由單片機及外圍LCD顯示屏、時鐘芯片構成，可實現當前時間和室內溫度的顯示，運用時鐘芯片“看門狗”功能可以為電熱管設置加熱時間。此外，考慮到人性化因素，系統還設計了控制電路。
2 硬件設計
    本系統以AT89C51為核心器件，外圍配置DS18B20、DS1302、LCD12864為基本器件，所選器件可以達到設計目的[3-4]。
2.1 溫度采集電路
    系統需要對室內溫度和電熱管溫度進行實時采集。為了確保溫度采集準確無誤差，對不同目標采用不同采集方法。
    電熱管的保護溫度是800 ℃，對這一范圍內的溫度采集使用K型(鎳鉻—鎳硅)熱電偶測溫法。其主要優點有：構造簡單、使用方便；敏感性強、測量精度高；測量范圍寬(-200 ℃～1 300 ℃)等。測溫電路如圖2所示。

    其測溫原理是通過測量由不同導體(鎳鉻、鎳硅)組成的閉合回路中置于不同溫度環境的兩個端點1、2(兩個端點溫度分別為T、T0)之間的溫差電勢而得到兩個端點的溫差(如圖3所示)。已知K型熱電偶電壓變化率為41 μV/℃，熱電偶輸出電勢為：

    設計將端點1置于電熱管內部，對UO進行模數轉換后傳送到單片機端口，經過單片機內部運算后即可得到電熱管實時溫度。模數轉換電路這里就不詳述了。
    對室內溫度的檢測運用型號為DS18B20的溫度傳感器，該傳感器性能優越穩定，且測溫精度高。
2.2 顯示電路
    顯示電路由時鐘芯片DS1302[5]、顯示屏LCD12864和溫度傳感器DS18B20組成，實現了對室內溫度和時間的顯示。各芯片與單片機的接口如圖4所示。

    DS18B20是美國DALLAS公司生產的單總線數字式溫度傳感器，該器件體積小、結構簡單，不需要外接電路, 可將被測溫度直接轉換成單片機能識別的數字信號輸出，無需信號放大和模數轉換。測溫范圍在-55 ℃～
+125 ℃，符合設計條件，在單片機的配合下可以顯示當前溫度。DS1302是由美國DALLAS公司推出的一款高性能、低功耗的時鐘芯片，內置12個寄存器，可分別對年、月、日、時、分、秒、星期進行計時，內含看門狗，且具有閏年補償功能，在單片機的配合下能夠顯示當前時間，產生任意長度的定時輸出，由此可按月份設置不同的加熱時間。LCD12864液晶顯示屏內置8 192個16×16點漢字和128個16×8點ASCII字符集，可顯示8×4行16×16點陣漢字。設計顯示格式如圖5所示。

2.3 驅動電路
    對電熱管加熱采用直流固體繼電器（SSR）驅動，固態繼電器是一種觸點電子繼電器，與傳統的機械繼電器相比，具有外接元器件少、控制電壓低、過零觸發、抗干擾強、易于與單片機接口的特點。電路如圖6所示。

    當固態繼電器SSR的“-”端為低電平時，SSR控制導通。即驅動信號為高電平時，將實現對電熱管的加熱。
    此外，出于人性化考慮，系統設置了用戶功能按鍵：“開/關”鍵對系統工作實行總控，只有當此鍵為“開”時加熱系統才能工作，這樣可以避免用戶長時間外出時造成資源浪費；“加熱”鍵可以使用戶根據自己的需求在非低谷電價時選擇對電熱管充電，確保用戶需求。
3 軟件設計
    軟件設計部分利用單片機自身成熟的開發工具和充足的硬件資源，結合認知心理學解決實際問題的知識，利用C語言進行設計，整個程序可分為主程序和子程序。
    軟件設計思路：(1)保證每天在“谷”價電時自動對電熱管加熱若干小時（對應不同月份的冷暖程度應設置不同的加熱時間段）；(2)電熱管溫度不能超過800 ℃；(3)為了保證室內恒溫，且處于舒適溫度范圍(通常在8 ℃～20 ℃，但夜間溫度可以偏高一些)，因此，“谷”電加熱時段溫度上下限為16 ℃～24 ℃，非“谷”電時段亦須設置溫度限制，在溫度小于12 ℃時應立即對電熱管加熱，待溫度上升至16 ℃時停止加熱；(4)設置用戶控制功能，預設“開/關”、“加熱”按鍵，這里簡稱為KEY1、KEY2，但加熱時要以保護電熱管為前提。
3.1 總體設計
    總體程序流程圖如圖7所示。

    當微機上電和初始化之后，讀取并顯示時鐘信息和室內溫度信息。當用戶“開/關”為“開”時，讀取當前月份信息和加熱時間段。然后判斷當前時間是否在“谷”價加熱時段，這里分兩種情況：(1)當前時段為“谷”價加熱時段，此時只要再滿足電熱管溫度小于800 ℃且室內溫度不高于24 ℃，就需要對電熱管進行加熱。而一旦電熱管溫度高于800 ℃或室內溫度高于24 ℃則將立即停止加熱，直到溫度降到16 ℃再加熱；(2)當前時段為非“谷”價加熱時段時需判定“加熱”按鍵的開關狀態。若為“開”，則應按用戶需求進行加熱，但是當電熱管溫度大于800 ℃時停止加熱；若為“關”，則應在溫度小于12 ℃時自動加熱，溫度上升至16 ℃時停止加熱。這是一個循環反復的過程，整個系統時刻處在是否對電熱管加熱的判斷之中。根據具體情況改變電熱管的加熱狀態，達到了設計目的。
3.2 關于農歷的顯示
    本系統采用的DS1302時鐘芯片本不具有存儲農歷信息功能，而農歷顯示的實現是由公歷信息轉換而得來[6]。具體方法是在程序中利用查表法，對照公歷信息查找農歷信息，程序設計中查找100年農歷信息只需300 B空間。
    在我國不少大中城市，“高峰期用電緊張，負荷居高不下，而低谷期富余卻鮮有人問津”的現象普遍存在。為了鼓勵廣大群眾更多地利用低谷期電能，全國多數大中城市都在低谷電時期實行電價優惠。
    本文設計的儲熱式電暖器裝置充分考慮這一有利政策，運用低電價對電熱管進行加熱，裝置將熱能存儲在儲熱磚中。在保證一天24小時都有供暖的情況下大大地節省了電費。如能大規模推廣，將有效減少峰值區間和谷值區間負荷差值，也將大大減少電能的浪費。
    儲熱式電暖器的控制系統利用單片機及其外圍電路實現了對電熱管加熱的驅動，并可根據具體條件判定加熱狀態。在實現時鐘和溫度顯示的同時，針對電熱管設置了保護溫度。用戶控制功能使設計更顯人性化。軟硬件設計合理，經檢驗性能穩定，達到了預期的效果。
參考文獻
[1] 國家發展與改革委員會.關于居民生活用電試行階梯電價的指導意見的通知[J].中國物價，2012(2)：75.
[2] 朱教群，張炳，周衛兵.儲熱材料的研究進展及其應用[J].能源工程，2007(3)：48-52.
[3] 李秋桂，郭金光，王國峰，等.PIC單片機在家用電暖氣中的應用[J].電子產品世界，2002(4)：44-46.
[4] 俞欣瀅，曾志強，孫儀彬.基于單片機的溫度控制系統設計[J].電氣應用，2009，28(20)：50-52.
[5] 能昌會.時鐘芯片DS1302在單片機系統中的應用[J].電子制作，2007(11)：39-40.
[6] 楊河理，熊曉東.電子萬年歷中公歷農歷互換算法研究[J].長江大學學報(自然科學版)，2006，3(4)：87-88.